C++ 多线程

多线程（multithreading）是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术，即允许 CPU 同时运行两个或两个以上的程序。线程（Thread）即可被单独调度的任务（Task），因此多线程是多任务处理的一种常见形式。对于单核 CPU 来说，多个任务在宏观上是并行的，但在微观上仍然是串行的。

多线程选择

多线程在实际编程中的重要性不言而喻，对 C++ 而言，当我们需要使用多线程时，有多种方案可供选择。比如 POSIX 线程 pthread、boost::thread 库、C++11 开始支持的 std::thread 库，以及其他一些第三方库 libdispatch（GCD）和 OpenMP 等等。

至于选择哪种多线程编程方案，需要根据你的实际项目、运行平台、团队协作等因素来考虑。一般而言，如果使用的是 Linux 操作系统，那么可以直接使用系统提供的 pthread 库编写多线程 C++ 程序；如果需要跨平台，则推荐使用 C++ 标准的 std::thread 库。

本文将分别介绍 pthread 和 std::thread 库的使用。

pthread

基于 POSIX 开发多线程程序需要包含头文件 <pthread.h>。

#include <pthread.h>

pthread 提供了一个 pthread_t 类型用来表示一个线程。由于 pthread 库不是 Linux 系统默认的库，因此编译时需要加上 -lpthread 选项以链接 pthread 库。

g++ main.cpp -lpthread

pthread 库提供了一系列 API 用于操作线程，常用的一些接口函数原型如下所示。

// 创建线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, 
                   void *(*start_routine)(void *), void *arg);

// 终止线程
void pthread_exit(void *retval);
int pthread_cancel(pthread_t thread);

// 线程连接和分离
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
int pthread_detach(pthread_t thread);

关于这些接口的参数和使用说明，可以参考 Linux 多线程这篇文章。

下面通过一个示例来演示在 C++ 中如何使用 pthread 接口实现多线程。

#include <iostream>
#include <pthread.h>

using namespace std;

// 定义线程数量
#define NUM_THREADS 10

// 线程函数实体
void *thread_entry(void* args)
{
    // 对传入的参数进行强制类型转换
    // 由无类型指针变为整形数指针，然后再读取
    int tid = *(int *)args;

    cout << tid << ": Hello thread!" << endl;

    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    pthread_t tids[NUM_THREADS];
    int index[NUM_THREADS];

    // 创建线程
    for (int i=0; i<NUM_THREADS; i++)
    {
        index[i] = i;
        pthread_create(&tids[i], NULL, thread_entry, (void *)&index[i]);
    }

    // 等待线程完成
    for (int i=0; i<NUM_THREADS; i++)
    {
        pthread_join(tids[i], NULL);
    }

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

执行下面命令编译程序，注意需要添加 -pthread 选项以链接 pthread 库。

g++ main.cpp -pthread

运行结果：

Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!

你看到的顺序和这里的结果可能不一样，不过没关系，这正是多线程运行的效果。

std::thread

C++11 中加入了 <thread> 头文件，此头文件主要声明了 std::thread 线程类。std::thread 类对线程进行了封装，定义了一些表示线程的类、用于互斥访问的类与方法等。

查看 C++ Reference 手册，std::thread 类有以下成员：

其中，成员属性说明如下：

std::thread::id 表示线程 ID，定义了在运行时操作系统内唯一能够标识该线程的标识符，同时其值还能指示所标识的线程的状态。
native_handle_type 是连接 thread 类和操作系统 SDK API 之间的桥梁，如在 Linux g++（libstdc++）里，native_handle_type 其实就是 pthread 里面的 pthread_t 类型。

成员函数的说明如下：

get_id：获取线程 ID，返回一个类型为 std::thread::id 的对象。
joinable：检查线程是否可被 join。检查 thread 对象是否标识一个活动（active）的可行性线程。缺省构造的 thread 对象、已经完成 join 的 thread 对象、已经 detach 的 thread 对象都不是 joinable 的。
join：调用该函数会阻塞当前线程。阻塞调用者（caller）所在的线程直至被 join 的 std::thread 对象标识的线程执行结束。
detach：将当前线程对象所代表的执行实例与该线程对象分离，使得线程的执行可以单独进行。一旦线程执行完毕，它所分配的资源将会被释放。
swap：交换两个线程对象所代表的底层句柄。
native_handle：该函数返回与 std::thread 具体实现相关的线程句柄。当 thread 类的功能不能满足我们的要求的时候（比如改变某个线程的优先级），可以通过 thread 类实例的 native_handle() 返回值作为参数来调用相关的 pthread 函数达到目的。
hardware_concurrency：静态成员函数，返回当前计算机最大的硬件并发线程数目。基本上可以视为处理器的核心数目。

示例：使用 std::thread 创建多个线程并传递参数

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

static const int nt=10;

void Hello(int num)
{
    cout << num << ": Hello thread!" << endl;
}

int main(void)
{
    thread t[nt];
    
    // 创建线程
    for (int i=0; i<nt; i++) {
        t[i] = thread(Hello, i);
    }
    
    // 等待线程完成
    for (int i=0; i<nt; i++) {
        t[i].join();
    }
    
    return 0;
}

可以看到，使用 std::thread 创建线程、传递参数，比使用 pthread 库接口方便多了！

执行 g++ main.cpp -pthread && ./a.out 编译运行以上程序，输出结果如下：

Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!

上述例子使用 join() 等待子线程结束，其实我们也可以使用 detach() 不等待子线程。

join() 表示主线程需要等待子线程结束方可执行下一步（串行），而 detach() 则表示让子线程放飞自我，独立于主线程并发执行，主线程后续代码段无需等待。

示例：使用 detach 实现多线程并发

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

static const int nt=10;

void Hello(int num)
{
    cout << num << ": Hello thread!" << endl;
}

int main(void)
{
    thread t[nt];
    
    for (int i=0; i<nt; i++) {
        t[i] = thread(Hello, i);
        t[i].detach();
    }

    cout << "Main thread exit." << endl;
    
    return 0;
}

执行 g++ main.cpp -pthread && ./a.out 编译运行以上程序，输出结果如下：

Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Hello thread!
Main thread exit.
Hello thread!

可以看到，主线程比子线程先退出了。

C++ 多线程

多线程选择​

pthread​

std::thread​

多线程选择

pthread

std::thread